机械运动系统的协调设计

2014-09-28 16:03 作者:管理员14 来源:未知 浏览: 字号:

摘要:第4章 机械运动系统的协调设计 1 机械运动系统的基本构成 机械产品从整体需要出发,通常可以有下列一些子系统:动力系统、传动系统、执行系统和操作及控制系统等。我们常常把传动系统和执行系统统称为机械运动系统。如图37.4-1表示了机械产品的基本组成图。对

第4章  机械运动系统的协调设计
1  机械运动系统的基本构成
    机械产品从整体需要出发,通常可以有下列一些子系统:动力系统、传动系统、执行系统和操作及控制系统等。我们常常把传动系统和执行系统统称为机械运动系统。如图37.4-1表示了机械产品的基本组成图。对于机械声品来说机械运动系统的构成是比较复杂的,它的设计富有创造性。因此,往往作为机械产品设什的重点。
机械产品的组成
1.1传动系统
    在一般的机械产品中是把动力机的动力和运动传递给执行系统的中间机械装置。
    传动系统主要起变速、换向、传递运动等作用。具体来说,传动系统有如下一些功能:
    1)减速或增速:将动力机的速度降低或增高,以适应执行系统的工作需要;
    2)变速:进行有级或无级变速,以满足执行系统工作速度变化的要求;
    3)改变运动规律或运动形式:把动力机的等速转动转变为按某种规律变化的转动、摆动或移动,其中包括间歇转动和间歇移动等。也可以通过传动系统将动力机输出的转动方向改变成相反转动方向。
    4)传递动力:把动力机输出的动力传递给执行系统,供执行系统完成预定工艺动作过程所播的驱动力矩或驱动力。
    机械产品的传动系统按传动比或输出速度是否变化可分为固定传动比和可调传动比系统:按动力机驱动执行机构或执行构件的数目可分为独立驱动、集中驱动和联合驱动的传动系统。
1.2执行系统
    执行系统是机械产品中用以直接完成预期工艺动作过程的子系统。它利用机械能改变工作对象的形态或搬移工作对象。
    (1)执行系统的基本组成
    执行系统基本上是以一系列执行机构所组成。执行构件的动作是由执行机构来产生的。一系列执行构件所产生的工艺动作过程完成了机械产品的总功能。例如,完成夹持、搬运、转位、间歇动作等等的运动动作。又如完成喷涂、冲压、切削等的改变作对象的形态的工作。
    执行构件一般是执行机构中的一个构件,它的运动形式和运动精度取决于整个机械系统的工作要求。在选择执行机构时必须考虑这些工作要求。
    (2)执行系统的功能
    执行机构的功用是把传动系统传递过来的运动与动力进行必要的转换,以满足执行构件完成功能的需要。
    执行机构变换运动的类型主要是将转动变换为移动或摆动,或则相反将移动或摆动变换为转动。而从执行构件的具体运动方式来看,可分为将连续运动变换为不同形式的连续运动或间歇运动。
    执行系统是在几个执行机构所带动的执行构件协调工作下完成机械系统的任务。虽然工作任务多种多样,但执行系统的功能主要有以下几种:夹持、搬运、输送、分度与转位、检侧、施力等等。机械系统的任务只是由执行系统有限的功能来完成。
    执行系统工作性能的好坏,直接影响整个系统的性能,从机械系统概念设计要求来看,主要是考虑运动精度和动力学特性等要求。
2  机械运动系统设计
2.1机械运动系统的基本内容
    机械运动系统又可称为机构系统,是由一系列传动机构和执行机构组成。
    机械运动系统是机械系统的重要内容。机械系统设计的好坏,将直接影响到整个机械系统技术性能的优劣、机械系统结构的繁简、机械系统制造成本高低、以及操作的难易。机械系统系统设计的好坏,关键在于机械运动系统方案设计的优劣。如果在机械运动系统方案设什时考虑欠缺.就会造成先天不足,即使在后续设计阶段采取一些补救措施,也是治标难治本,整个运动系统的总功能难以得到根本性改善。所以说,在进行机械运动原理方案设计时,必须进行以下几个方面的研究和探讨。
    1)根据机械的功能要求,注意市场的调查和预测,通过需求分析,确定出一种能满足新的需求、具有竞争力的新型机械型式。
    2)要尽量采用先进技术,推陈出新,既不脱离实际、盲目追求先进,也不能因循守旧墨守成规,要在继承的基础上,大胆创新。
    3)对尚无确切把握的新方案,应进行必要的试脸、研究和验证。对于试验中所出现的问题和不足,必须采取一些完善和修改的措施后,方可着手进行正式设计。
    4)在处理机械的使用要求与制造要求的关系时,应该在满足机械的使用要求(亦即保证实现机械的功能)下考虑机械的制造问题。优良的制造和装配质量是提高机械使用性能、工作可靠性和使用寿命所必不可少的条件。
    机械运动方案的设计应考虑以下一些基本内容。
    (1)功能与应用范围的确定
    一台机器的功能是要完成某一工艺动作过程,一个工艺动作过程又可以分解为若干个工序。
    例如,制盒工艺为纸盒成型一物料充填一封口,它的工艺动作可以分解为图37.4一所示的9个工序:纸盒料坯从贮存器中送出①,纸盒成型②,纸盒一端盒口闭合③,纸盒一端盒口封口④,纸盒翻转900⑤,盒子送进⑥,物料充填纸盒O,另一端盒口闭合⑧,另一端盒口最后封口⑨。工艺动作过程的分解与工作原理、功能和应用范围密切相关,也与实现各工序动作的方法有关。采用简单实用的机构来实现工序动作,是每一个设计师应努力达到的目标。
纸盒成型的工艺动作过程分解工序
平版印刷机工艺动作过程
工业缝纫机工艺动作过程
    图37.4一3所示为平版印刷机所需完成的5个工序:取出已印刷好的纸张①,墨辊向印版上滚刷油墨②,墨盘间歇转动一个位里,使油墨匀布于墨盘,以便墨辊滚过墨盘时得以均匀上里③,将油墨容器内的油里派源不断供应给油盘④,空白纸张合在印版上完成印刷⑤。如果是取出机上已加工印件,那么平板印刷机只需完成后面的②、③、④、⑤工序,可以用4个机构分别完成。
    工业平缝机的功用与普通家用缝纫机没有多大的差别,对于工业平缝机,它所要完成的工艺动作过程一般可以分解为4个工序,如图37.4-4所示。
    ①刺料:缝纫机针刺进和退出缝料。机针刺人缝料后形成线圈,为钩线创造条件;机针退出缝料以便收线和送料。
    ②挑线:完成缝纫过程中的供线和收线的要求,使缝料上线迹良好,不产生断线和松线。
    ③钩线:完成钩住面线线圈,使面线与底线交织起来。
    ④送料:在缝料完成一个线迹后,使缝料向前进送一个针距,以便进行下一个线迹的缝纫。送料机构的运动轨迹,要求在送料部分平直。
    以上所列举的3种机器,由于所完成的功能比较单一,因此工艺动作过程的分解一般比较简单。实际上,在创新设计一台机器之前,对工艺动作分解进行种种构思.就可得到不同的机械运动方案设计。而且,用上述方法所得到的机器是多功能类型的。
    在设计一台完成特定工艺动作过程的新机器时,还可以按分解后的工序,用若干台机器分别完成一系列工序的单功能机器组合。这种做法在有些情况不是合理的,但是对不少场合采用单功能机器组合是不现实的。在不少实用机器设计时,往往设计成多功能类型,也就是用一台机器完成一系列工艺动作(即多道工序)。
    多功能类型的机器有如下的一些优点:
    1)可以省去单机之间的连接和输送装置,减少动力机和传动变速器,有助于简化机械结构,降低成本,提高劳动生产率;
    2)可以缩小机器占地面积;
    3)减少操作人员.改善劳动条件;
    4)有利于机器工作性能的提高。
    确定机器的功能与应用范围,必须考虑机器的可靠性和适应性。
    可靠性
    在一般情况下,机器功能增多,必然使工艺动作过程的工序增多,故障发生的可能性一般也相应增大。为了提高一台机器的可靠性,一般可以将工艺动作过程所分解出的几个工序分成若干组,每组工序用一台单机来完成,整个工艺动作过程用几台单机来完成。但是这种做法,使各单机之间连接比较复杂,增加机器组合的故障。有不少机器,例如前面所述的平版印刷机、工业平缝机,它们工艺动作全过程的各个工序在一台机器上实现更为合理、可靠,因此就没有必要用几台单机来完成。从提高机器的可靠性考虑,实现同一机器功能时,尽可能采用动作简单、工序数少的工艺动作过程。
    适应性
    任何机器它的应用范围都是有限的,不可能是万能的。例如,盒式包装机对于盒子的大小、充填物的体积和状态都有一定的规定,并不是一概适应的。又如工业平缝机对于缝料厚度、缝料质地等的适应性,也有一定范围,使用者不可以随心所欲。机器的功能愈多,机器的结构也就愈复杂。因此,对于将机器功能分解后用几台单机来完成的机器组合,为了增强其适应性,比较合理的办法是根据用户要求,灵活地增减或改装某些组合部件,以扩大应用范围,满足用户的不同需要。
    机器的功能和应用范围,还与产品(加工对象)批量及品种规格有关。对于产品批童大、品种规格稳定的产品。在设计机器时应致力于提高机器的生产率、机器自动化程度,一般宜采用专机类型。对于批量中等、品种规格需要调换的产品,一般可通过调整或更换有关部件来适应各批生产的需要,此时宜采用多用机类型。对于批量小、品种规格经常变化的产品,应尽量扩大机器的应用范围,以利增加机器制造的批童和减少设备投资,此时宜采用通用机类型。
    (2)工作原理和工艺动作分析
    根据机械功能要求,首先应选择机械的工作原理。机械完成同一种功能,可以应用不同的工作原理来实现。例如,印刷机可以采用平版印剧工作原理,也可采用轮转式印刷工作原理。平版印刷机工作原理是在平放的铜锌字版上涂油墨,待印件扭在铜锌字版上完成印刷工艺,其工作原理与盖图章动作相类似。轮转式印刷机工作原理是将铜锌字版装在圆筒表面,随圆筒连续转动,待印纸张相应连续移动,与圆筒贴合,完成印刷工艺。轮转式印刷的工作原理与盖图章动作大相径庭,它的生产率大大提高。平板印刷机和轮转式印刷机相比较,它们之间的结构、造价、生产率有很大差别。再如.螺栓的螺纹加工,有车削、套螺纹、滚压和拉丝。车削是采用螺纹车刀在车床上切削加工;套螺纹是采用螺纹扳牙在机床上(或手工)加工;滚压是采用一副滚螺纹轮在滚螺纹机上加工;搓螺纹是采用一副搓螺纹板在搓螺纹机上加工。后三者特殊的工艺动作过程所采用的机器与车床也有明显不同。
    工作原理的选择与产品加工的批量、生产率、工艺要求、产品质盈等等有密切关系。在选定机器的工作原理时,不应墨守成规,而是要进行创新构思。构思一个优良的工作原理可使机器的结构既简单又可靠,动作既巧妙又高效。
    工作原理与工艺动作过程的设计与构思,还应充分考虑被加工对象的材料特性、所需达到的工艺要求和生产率等。
    工作原理与工艺动作过程的设计与构思,还要考虑机器的工位数和工位转移过程中采用间歇运动还是连续运动。工位多时执行机构要分散布里。工位转移过程中采用间歇步进运动,可使执行机构的运动形式构造比较简单,而连续运动会使执行机构复杂化。
    工艺动作过程的确定,还应考虑工艺程序和工艺路线。工艺程序是指完成各个工艺动作的先后顺序。例如图37.4一5所示折叠裹包程序为
折叠式包装工艺动作过程分解
    物品到位、包装纸到位一折叠包装纸的上、下、前三面→后面包装纸折叠,两侧包装纸折叠→两侧下面裹包→两侧上面裹包→包装后的物品输出。
    工艺程序的编排对于机器结构简化、工作可靠性能起较大的作用。在上述例子中对包装纸的上、下、前三面的折叠只采用了将物品向右推进的机构,利用物品上下的挡块形成上、下、前三面包装纸的折叠
(如图37.4-6所示),这种方式结构简单、工作可靠。
折叠式包装结构
    工艺路线是指参与加工的物料的供送路线、加工物料的传送路线以及成品的输出路线。完成同一工艺程序的工艺路线可以多种多样,常见的有:
    1)直线型物料的运动路线为一直线,根据运动方向又可分为立式和卧式两种,如图37.4-5所示。
    2)阶梯型物料的运动路线兼有垂直和水平两方向,如图37.4-7所示。
阶梯型工艺路线
    3)圆弧型物料的运动沿圆弧轨迹,如图37.4-8所示。
旋转型工艺路线
    4)组合型物料的运动既作国弧运动,又作直线运动,如图37.4-9所示。
组合型工艺路线
    选择工艺路线时,必须分析比较各种工艺路线的特点,既要考虑它对机器生产率、执行机构数目和运动要求的影响,又要考虑它对机器外形、操作条件以及组成加工生产线等方面的形响。只有对各种不同工艺路线的方案加以认真详细的分析,才有可能找到最优方案。很显然,机器的工艺路线对设计机械运动方案影响很大。
    (3)执行构件的运动要求和执行机构的布局
    根据机器的工作原理和工艺动作要求,可以进行分析、构思确定执行构件的数目和运动要求。执行构件分为固定的和运动的。例如,在不少包装机械中,成型器和固定折纸板等均属固定式,它们的形状依据工艺要求来确定。大多数执行构件是按一定的工艺运动要求来确定它的运动规律,包括运动的形式、行程大小、动停时间和运动速度等。执行构件的运动规律一旦确定后,就可着手于选定执行机构。
    执行机构布置的步骤主要分为两步,即根据工艺路线图将各个执行构件布置在预定的工作位置上;布置执行机构的原动件,对于气液压传动主要安排气缸和油缸的位置,对于机械传动则是安排机构输入构件凸轮、齿轮、曲柄等原动件的位置。
    执行机构的原动件布置要遵守两条原则:一是使原动件应尽可能接近执行构件,这样可使执行机构简单紧凑并尽可能减小其几何尺寸;二是使原动件尽可能集中布置在一根轴上或少数几根轴上,这样可以使整个传动系统大为简化,同时便于对机器进行调试和维修。为了使执行机构能同步运动,各原动件所在的几根原动轴转速应保持等速或定速比。
    (4)机器工艺过程的设计原则
    机器工艺过程设计的总要求是保证产品加工的质量,具有较高的生产率,机器的结构力求简单,操作和维修方便,制造成本低和维护费用小等。为了达到上述总要求,机器的工艺过程一般应遵循以下几个设计原则:
    1)工序集中原则工序集中原则是指工件在一个工位上一次定位装夹,采用多刀、多面、多个执行构件动作同时完成加工工序。以完成工件的工艺要求。工序集中原则使加工质量容易保证,机器的生产率也较高。  
    2)工序分散原则工序分散原则是将工件的加工工艺过程分解为若千工序,并分别在各个工位上用不同的执行机构进行加工,以完成工件的工艺要求。由于工序分散,执行机构完成每一工序的动作较为简单.这样可以使机器生产率有较大的提高。
    工序集中原则和工序分散原则从表面上看是矛盾的,其实又是统一的,因为依据实际情况,工序能集中就尽量集中,工序集中有困难就采取分散。集中是为了提高机器生产率,分散也是为了提高机器生产
率。两个原则为了同一目的.只是在不同场合采用不
同方法而已。
    3)各工序的工艺时间相等原则对于多工位自动机工作循环的时间节拍有严格的要求,一般将各工位中加工时间最长的一道工序的工作循环作为自动机的时间节拍。为了提高机器的生产率,可以将工艺时间较长的工序,采取适当的措施,如提高这一工序的工艺速度或将这一工序实行再分解等等。
    4)多件同时加工原则多件同时加工原则是指在同一自动机上同时加工几个工件,也就同时采用相同的几套执行机构(或执行构件)来加工多个工件。这样可以使机器的生产率成倍提商。
    5)减少机器工作行程和空程时间设计工艺过程时,为了提高机器的生产率,在不妨碍各执行构件正常动作和相互协调配合的前提下,尽量使各执行机构的工作行程时间互相重量、工作行程时间与空行程时间互相重叠、空行程时间与空行程时间互相重叠,从而缩短工件加工循环的时间。
    (5)机器生产率的分析与计算
    在进行机械运动原理方案设计时,设计人员应在保证工件加工质最的前提下,力求使机器具有较高的生产能力。
    1)机器的生产率机器的生产率是指机器在单位时间内生产的产品数量。一个工件所需的加工时间T为式中工作行程所需的时间;
空行程所需的时间。

式(37.4-1)所表示的机器生产率是机器调整到正常工作状态下的单位时间内加工的产品数量,称之为机器的理论生产率。
    如果机器没有空行程,即空程=0,那么它的生产率称之为机器的连续生产率,以K表示
式(37.4-2)表示机器连续工作,没有空行程或空行
程时间,同时各执行机构的工作行程时间完全重合。
    机构的理论生产率Q又可表示为

η称为生产率系数。由此可见生产率系数表示机器的理论生产率与连续生产率之比,即

    因此,生产率系数η表示机器在时间上的利用程度,亦即反映工艺过程连续化程度。
2)机器生产率的分析为了便于分析,将式(37.4-3)和式(37.4-4)用图形来表示。图37.4-10是具有不同的性值的生产率系数曲线。图37.4-11是具有不同的值的机器生产率曲线。图中曲线I,II.Ⅲ分别为不同的性值时机器的η与K及Q与K的相互关系。其中。由此得出如下的分析结果:
不同t空程值得生产率系数

 
 
 
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

(责任编辑:laugh521521)
文章分享:

标签:
版权所有: 非特殊声明均为本站原创文章,转载请注明出处: 三晖机械科技